Asfaltos y mezclas asfálticas: Conceptos y fundamentos

Product Information

It is/ then/ a material of cardinal importance for the construction industry for its consisten~ adherence/ watertightne~s/ durability and low cost (4). Although such asphaltprimers are general/y obtainedby diluting ormixing semi-solid asphalt tar with liquid by-products -nearlyas fluid as water- obtained from distil/ing certain types of crude oi¿ asphaltic petroleum conforming to a number of specifications may be used directly for this purpose. In this regarct part of the liquid asphalt that has been used for many years is bituminous crude found in natural deposits that requires no industrial processing or preparation whatsoever: Such deposits are formed when the lighter fractions of crude oil that has seeped to the surface of the earth are driven off by the action of sun and wind. The largest deposits of this nature/ known as lake aspha/~ in which the concentration of the denser fraction materials is highe¡; are located in the southern United States and northern Venezuela (5). Durante los últimos años varios proyectos de investigación se han interesado en desarrollar un conocimiento fundamental y formal sobre estos productos para encontrar alternativas de aprovechamiento de estos materiales. En ese sentido, las propiedades fisicoquímicas de los mismos pueden permitirles ser suficientemente dúctiles, maleables y reométricamente aptos para su aplicación como capa de fondo o imprimadores en cubiertas impermeabilizantes de edificaciones, a fin de satisfacer la creciente demanda mundial de los mismos. Por otro lado, no debe olvidarse que estos materiales pueden ser susceptibles a los cambios de temperatura, sufrir envejecimiento por intemperismo o ser afectados por la oxidación y la fotodegradación, lo que limita su rango de utilidad. Por todas estas razones, estos productos suelen ser aditivados o modificados para mejorar dichas propiedades. Los crudos extrapesados procedentes del área Machete (Venezuela) son materiales de consistencia blanda o fluida, por lo que se salen del campo en el que normalmente se aplica el ensayo de penetración a productos asfálticos según el método ASTM D-5 (1), cuyo límite máximo es 30 mm, y pueden ser utilizados como pinturas asfálticas de imprimación. Al igual que otros productos asfálticos, estos petróleos son químicamente una mezcla de numerosos hidrocarburos nafténicos, parafínicos, aromáticos y compuestos heterocíclicos que contienen azufre, nitrógeno, oxígeno, etc. Están compuestos por una fase pesada y otra de aceites malténicos que, además de los hidrocarburos naturales empleados como aditivos, actúa a modo de fluidificante volátil. La primera fase se describe como una mezcla de asfalten~ o susta,ncias complejas de alto peso molecular, insoluble en hidrocarburos parañnicos y soluble en compuestos aromáticos como el benceno; la segunda es descrita como una mezcla de resinas y otros hidrocarburos. Estas dos fases constituyen un sistema coloidal. En este trabajo se presentan los resultados experimentales del efecto de la proporción de asfaltenos y resinas en la viscosidad de tales crudos, con vista a su aplicación como materiales imprimadores. Los experimentos se realizaron en un reactor batch marca Parr en una atmósfera de nitrógeno yempleando n-heptano como disolvente. Una vez precipitados los asfaltenos a partir de las muestras utilizadas y, seguidamente, de la fracción de maltenos obtenida, se separaron las resinas. Al comparar los resultados obtenidos, se encontró que los asfaltenos eran responsables de las características estructurales y de consistencia del vehículo, mientras las resinas le proporcionan propiedades aglutinantes y los aceites malténicos actúan como disolventes.

The equipment described be/ow was used for the experimental part of this study: the aspha/tenes were separated with a 4 OOO-m/ Parr discontinuous batch reactor titted with a stirring system/ temperature contro¿ gas and /iquid evacuation faci/i~ pressure contro¿ air coo/ing and a draining system. Whatman 934 AH ti/ter paper with a pore size of 1.5 micron~ ret: 1827-11~ was a/so used hydrogen bonds that give rise to fairly large intermolecular associations raises viscosity values substantial/y (19). Las investigaciones realizadas señalan que existen diversos factores responsables de la viscosidad de dichos fluidos. Considerando la literatura en el caso de mezclas bituminosas complejas, la viscosidad sigue algunas tendencias generales: disminuye con el aumento de temperatura (17), aumenta con el incremento de la presión o la densidad (18) y, sobre todo, depende de la estructura molecular de los componentes. De acuerdo con lo anterior, se ha encontrado que, para los hidrocarburos, a mayor peso molecular y/o carácter cíclico, mayor valor de la viscosidad. Ello se explica porque el flujo se facilita con la mayor flexibilidad o posibilidad de deformación de las moléculas que presentan mayor número de grados de libertad (1'9). A tal respecto, la presencia de determinados grupos funcionales capaces de formar enlaces tipo Agure 2 shows the respective viscosity -concentration curves for three series of solutions- asphaltenel resins and the group of saturated and volatile aromatic hydrocarbons. The measurements were taken in the presence of dimethylbenzene as the solvenC whose viscosity at the working temperature (28 OC) is 0.64 cp. The high viscosity values in the xylene mixes analyzed were clearly due to the asphaltenes much more than to any of the other fractions. For reasons of solubilit)/¡ howeve¡; it was unfortunately not possible to work at asphaltene concentrations of over 16% by weight. Nonetheles~ viscosity was observed to vary exponentially with asphaltene concentration. The figure shows that viscosity also varied with resin concentrationl but much less acutely. Finall~ the geometric distribution of the experimental points relating malthene oil concentration to viscosity nearly exactly defines a very slightly sloping and hlghly correlated stralght line. Effect of asphaltene and resin oi/s on the viscosity of bituminous petro/eum materia/s to be used as aspha/t primersThe Machete crude so/utions and their fractions in xy/ene were rhe%gica//y characterized at 28 oC with a Contraves mode/ Lowshear 30 rotationa/ viscometer equipped with a digital screen and a compensation amp/ifier consisting in a photoe/ectric detector connected to a mu/ti-po/ar magneto This device is ab/e to accurate/y measure dynamic viscosity over a range of from one MANUAL DE ENSAYOS PARA LABORATORIO. MEZCLAS ASFALTICAS EN CALIENTE (MAC) PARTE 1. PARA EL CALCULO DE VOLUMETRIA Y ENSAYOS DE DESEMPENO. Se trata, pues, de un material de suma importancia para el sector de la construcción por sus propiedades de consistencia, adhesividad, impermeabilidad, durabilidad y bajo costo (4). Aunque las citadas pinturas asfálticas se obtienen, generalmente, diluyendo o mezclando los betunes asfálticos semisólidos con subproductos líquidos, casi tan fluidos como el agua, obtenidos de la destilación de determinados crudos de petróleo; es posible usar directamente los petróleos asfálticos que cumplan con unas especificaciones determinadas. En tal sentido, parte del asfalto líquido que se utiliza, desde épocas pasadas, es el crudo bituminoso, el cual se encuentra en yacimientos naturales y pueden explotarse sin necesidad de operaciones industriales de ningún tipo para su preparación. Estos yacimientos se han producido a partir del petróleo por un proceso natural de evaporación de las fracciones volátiles enriqueciendo las pesadas. A este producto se le llama frecuentemente asfalto de lago. Los yacimientos más importantes de productos asfálticos líquidos naturales se explotan en el sur de los Estados Unidos de América y en el norte de Venezuela (5). Más concretamente, los crudos venezolanos de la franja del Orinoco (área Machete) se caracterizan por tener una alta viscosidad y un alto contenido de aromáticos y asfaltenos. Estos productos líquidos, no refinables y económicamente poco atractivos, pueden ser considerados unos "asfaltos naturales de curado lento" cuyas características permiten su fácil aplicación en espacios abiertos sin tener que calentarlos a elevadas temperaturas, e incluso en frío, como base de pinturas de imprimación de elevada capacidad de penetración, añadiéndoles cantidades de disolventes volátiles (gasolina, queroseno...) con el objeto incrementar el grado de fluidez del crudo extrapesado. Una vez puesto el producto fluidificado en Los resultados obtenidos en el presente trabajo indican que la alta viscosidad del crudo Machete se explica, fundamentalmente, por su contenido en asfaltenos, componentes que causan, por sí solos, un marcado aumento de la misma; en menor medida, dicho incremento puede ser atribuido a la acción de las resinas. Por último, los maltenos influyen mucho menos sobre esta propiedad; de lo cual se concluye que el comportamiento reológico de las muestras analizadas se explica en gran parte porque los asfaltenos forman asociaciones intermoleculares en un ambiente poco polar debido a la capacidad de los grupos funcionales oxhidrilos y aminos presentes en aquéllos para establecer enlaces tipo puentes de hidrógeno. Otra conclusión es que para lograr una disminución apreciable de la viscosidad de un producto asfáltico líquido es necesario aumentar la razón de maltenos a resinas.

Summarizing/ for al/ the foregoing/ the higher the asphaltene and resin content in a bituminous colloidal so/ution/ the more viscous it will be. Consequent/~ some manner of f/uidizer must be added for the crude studied to meet the requirements /aid down in Spanish standard UNE 104.32 4 for al/ asphal t-base primer s used in weatherproofing. asphaitenes/resin oIls ·1 - ; - - - - r - - , . - - - r - - - r - - r - - - r - - . . . . - - - r - - , . - - - - , . - - I O 10 15 20 25 Figura 2.- Viscosidades a 28 oC de diferentes disoluciones de asfaltenos, resinas y aceites en xileno. Dos propiedades muy importantes del crudo estudiado son su viscosidad cinemática (96620 s Saybolt Furol a 55 OC) Y su elevada densidad (gravedad API igual a 9,6°), consecuencia directa de su alto tanto por ciento de resinas y asfaltenos. Disminuye con la temperatura a la que se encontraba el petróleo en su ambiente de generación, lo que implica que los yacimientos profundos, enterrados a mayores profundidades, contendrán crudos menos densos. Igualmente, la composición química del crudo Machete (porcentaje en peso) resultó ser: maltenos (77,9 %), resinas (56,9 %) Y asfaltenos (22,1 %). Influencia de asfaltenos y resinas en la viscosidad de petróleos bituminosos utilizables como pinturas asfálticas de imprimación

Influencia de asfaltenos y resinas en la viscosidad de petróleos bituminosos utilizables como pinturas asfálticas de imprimación Effect ofaspha/tene and resin oi/s on the viscosity ofbitumin ous petro/eum materia/s to be used as aspha/tp rimers Por último, la densidad o gravedad API del crudo Machete se determinó, según norma ASTM D-2041 (15), utilizando un dispositivo Rice que incluía un conjunto de elementos necesarios: vibrador, picnómetro de vacío, bomba de vacío, juego de filtración, balanza electrónica y un manómetro de presión residual compuesto de un tubo en "U" cerrado en un extremo y montado sobre una cúpula de vidrio conectada al recipiente de vacío. Last/~ the density or API gravity of Machete crude was determined as specified in standard ASTM D-2041 (15)/ using a Rice device fitted with all the necessary components: vibrato¡; vacuum pycnomete¡; vacuum pump/ filter set/ electronic scales and residual pressure manometer: a "ljN-shaped pipe closed at one end and mounted on a glass blister connected to an evacuation tank.

En la Figura 2 se representan los valores respectivos de la viscosidad frente a concentración de tres series de disoluciones de asfaltenos, resinas y, por último, del conjunto de hidrocarburos saturados y aromáticos volátiles. Las medidas se hicieron en presencia de dimetilbenceno como disolvente, cuya viscosidad a la temperatura de operación (28 OC) es de 0,64 cp. Se observa claramente que los asfaltenos tienen mucho mayor responsabilidad en los altos valores de la viscosidad de las mezclas con xileno analizadas que la de cualquiera de las otras fracciones. Desafortunadamente, debido a problemas de solubilidad, no fue posible trabajar a concentraciones de asfaltenos superiores al 16% en peso. No obstante, existía una variación exponencial de la viscosidad con la concentración de asfaltenos. También se aprecia en esta misma figura que dicha propiedad varía en menor medida con la concentración de resinas, aunque esa influencia es bastante menos pronunciada. Para finalizar, el lugar geométrico de los puntos experimentales que relacionan la concentración de los aceites malténicos con la viscosidad puede aproximarse mediante una recta de muy baja pendiente y alto grado de correlación. Hidrocarbonos aromáticos/Aromatic hydrocarbons Hidrocarbonos parafínicos y/o nafténicos/ Paraffinic and/or naphthenic hydrocarbons

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Asfaltenos (núcleo policíclico y cadenas alifáticas) Asphaltenes (polycyclic nucleus and aliphatic chains) Resinas/ Resines o La Figura 3 incluye sendas gráficas del logaritmo de la viscosidad frente al porcentaje ponderal de asfaltenos de dos series de crudos sintéticos a 55 oC. Estas muestras se preparan partiendo de las fracciones separadas del crudo Machete, de tal manera que fueran constantes, respectivamente, las relaciones de resinas a maltenos y de asfaltenos a resinas. La información obtenida muestra que la viscosidad de estas disoluciones con presencia de resinas y asfaltenos es significativamente mayor que lo esperado de acuerdo con las tendencias previamente evidenciadas de ambos por sí solos. Asimismo, la influencia de la proporción de asfaltenos en la viscosidad de estas últimas mezclas estudiadas es mayor que la causada por los mismos en ausencia de resinas. TRT Terms: Calculation; Evaluation; Hot coated materials; Laboratories; Mixtures; Volumetric analysis